Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для обзорного радиолокационного обнаружения группы объектов и измерения их пространственных параметров с использованием вращающихся лучей и кругового обзора пространства.
Известен импульсный радиолокатор, содержащий генератор зондирующего сигнала, направленную антенну типа фазированной решетки для излучения и приема сигналов и приемник, в котором формируется в заданном направлении пространства луч сигнала и производится выделение сигнала в дальномерном канале, после чего перестраивается направление излучения и приема сигнала и для нового направления повторяются операции формирования направленного луча и выделение сигнала в дальномерном канале [1] .
Недостатком этого устройства является существенно низкое быстродействие и низкая надежность, т. к. изменение направлений излучения и приема сигналов осуществляется лишь после просмотра всего заданного диапазона дальности, и высокая техническая сложность устройства из-за необходимости использования широкополосных антенных систем и СВЧ элементов для перестройки направлений излучения и приема сигналов.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является радиолокатор, содержащий задающий генератор, блок формирования напряжения несущей частоты, узел формирования напряжения синхронизации и узел формирования сигналов излучения, управляющий вход которого соединен с выходом цикловой частоты узла формирования напряжений синхронизации, входы блока формирования напряжения несущей частоты, узла формирования напряжений синхронизации и сигнальный вход узла формирования сигналов излучения объединены и соединены с выходом задающего генератора, основной преобразователь частоты излучения, сигнальный вход которого соединен с выходом узла формирования сигналов излучения, основную антенну излучения, вход которой соединен с выходом основного преобразователя частоты излучения, основную антенну приема, основной преобразователь частоты приема, сигнальный вход которого соединен с выходом основной антенны приема, основной фильтр приема, вход которого соединен с выходом основного преобразователя частоты приема, и узел индикации и измерения параметров сигналов приема, выход шаговой частоты приема, выход тактовой частоты и выход цикловой частоты узла формирования напряжений синхронизации являются выходами устройства и соединены соответственно с кадровым, цикловым и тактовым входами узла индикации и измерения параметров сигналов приема [2] .
Недостатком этого устройства является существенно низкое быстродействие и низкая надежность, т. к. изменение направлений излучения и приема сигналов осуществляется лишь после просмотра всего заданного диапазона дальности, и высокая техническая сложность устройства из-за необходимости использования широкополосных антенных систем и СВЧ элементов для перестройки направлений излучения и приема сигналов.
Целью предложенного технического решения является повышение быстродействия и надежности устройства.
Согласно предложенному техническому решению поставленная цель достигается тем, что в радиолокатор, содержащий задающий генератор, блок формирования напряжения несущей частоты, узел формирования напряжения синхронизации и узел формирования сигналов излучения, управляющий вход которого соединен с выходом цикловой частоты узла формирования напряжений синхронизации, входы блока формирования напряжения несущей частоты, узла формирования напряжений синхронизации и сигнальный вход узла формирования сигналов излучения объединены и соединены с выходом задающего генератора, основной преобразователь частоты излучения, сигнальный вход которого соединен с выходом узла формирования сигналов излучения, основную антенну излучения, вход которой соединен с выходом основного преобразователя частоты излучения, основную антенну приема, основной преобразователь частоты приема, сигнальный вход которого соединен с выходом основной антенны приема, основной фильтр приема, вход которого соединен с выходом основного преобразователя частоты приема, и узел индикации и измерения параметров сигналов приема, выход шаговой частоты приема, выход тактовой частоты и выход цикловой частоты узла формирования напряжений синхронизации являются выходами устройства и соединены соответственно с кадровым, цикловым и тактовым входами узла индикации и измерения параметров сигналов приема. В устройство введены синтезатор группы кратных частот излучения, состоящий из основного и группы дополнительных умножителей частоты излучения, блок согласования частот излучения, группа дополнительных преобразователей частоты излучения и группа дополнительных антенн излучения, образующих вместе с основным преобразователем частоты излучения и основной антенной излучения узел формирования вращающихся лучей, введены синтезатор группы кратных частот приема, состоящий из основного и группы дополнительных умножителей частоты приема, блок согласования частот приема, группа дополнительных антенн приема, группа дополнительных преобразователей частоты приема, группа дополнительных фильтров приема и сумматор приема, образующих вместе с основным преобразователем частоты приема, основной антенной приема и основным фильтром приема узел кругового обзора пространства, первый опорный вход блока согласования частот излучения соединен с выходом начальной частоты излучения узла формирования напряжений синхронизации, первый опорный вход блока согласования частот приема соединен с выходом начальной частоты приема узла формирования напряжений синхронизации, второй опорный вход блока согласования частот излучения и второй опорный вход блока согласования частот приема объединены и соединены с выходом блока формирования напряжения несущей частоты, входы основного и группы дополнительных умножителей частоты излучения объединены и соединены с выходом шаговой частоты излучения узла формирования напряжений синхронизации и их выходы соединены с соответствующими сигнальными входами блока согласования частот излучения, опорные входы основного и группы дополнительных преобразователей частоты излучения соединены с соответствующими выходами блока согласования частот излучения, сигнальные входы группы дополнительных преобразователей частоты излучения объединены и соединены с выходом узла формирования сигналов излучения и их выходы соединены с входами группы соответствующих дополнительных антенн излучения, входы основного и группы дополнительных умножителей частоты приема объединены и соединены с выходом шаговой частоты приема узла формирования напряжений синхронизации и их выходы соединены с соответствующими сигнальными входами блока согласования частот приема, опорные входы основного и группы дополнительных преобразователей частоты приема соединены с соответствующими выходами блока согласования частот приема, сигнальные входы группы дополнительных преобразователей частоты приема соответственно соединены с выходами группы дополнительных антенн приема, входы группы дополнительных фильтров приема соединены с выходами соответствующих преобразователей частоты приема и их выходы соединены с соответствующими входами сумматора приема, выход сумматора приема соединен с сигнальным входом узла индикации и измерения параметров сигналов приема и является сигнальным выходом устройства.
Узел формирования напряжений синхронизации содержит делитель шаговой частоты излучения, делитель начальной частоты излучения, делитель шаговой частоты приема, делитель начальной частоты приема, делитель цикловой частоты и делитель тактовой частоты, входы которых соединены между собой и являются входом узла и выходы являются соответствующими выходами узла.
Узел формирования сигналов излучения содержит формирователь импульсов, вход которого является управляющим входом узла, и модулятор, сигнальный вход которого является сигнальным входом узла, управляющий вход соединен с выходом формирователя импульсов и выход является выходом узла.
Узел индикации и измерения параметров сигналов приема содержит блок наблюдения, состоящий из импульсного детектора, первого формирователя пилообразного напряжения, второго формирователя пилообразного напряжения и осциллографа, и блок доплеровских измерителей, состоящий из распределителя импульсов, группы ключевых элементов, группы детекторов огибающих импульсных последовательностей, группы счетчиков и генератора импульсов сброса, сигнальные входы блока наблюдения и блока доплеровских измерителей соединены между собой и являются сигнальным входом узла, цикловые входы блока наблюдения и блока доплеровских измерителей соединены между собой и являются цикловым входом узла, кадровый вход блока наблюдения и тактовый вход блока доплеровских измерителей являются соответственно кадровым и тактовым входами узла, в блоке наблюдения входы импульсного детектора, первого формирователя пилообразного напряжения и второго формирователя пилообразного напряжения являются сигнальным, цикловым и кадровым входами блока наблюдения и выходы этих блоков соединены соответственно с входом яркостных отметок, входом горизонтального отклонения и входом вертикального отклонения осциллографа, в блоке доплеровских измерителей тактовый вход и вход сброса распределителя импульсов являются цикловым и тактовым входами блока доплеровских измерителей, сигнальные входы ключевых элементов соединены между собой и являются сигнальным входом блока доплеровских измерителей, коммутирующие входы ключевых элементов соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов и их выходы соединены с входами соответствующих детекторов огибающих импульсных последовательностей, сигнальные входы счетчиков соединены с выходами соответствующих детекторов огибающих импульсных последовательностей, входы сброса счетчиков объединены и соединены с выходом генератора импульсов сброса и их выходы являются группой выходов блока доплеровских измерителей.
Блок согласования частот излучения содержит блок когерентных частотных сдвигов излучения, состоящий из основного и группы дополнительных когерентных преобразователей частоты излучения, и блок формирования несущих частот излучения, состоящий из основного и группы дополнительных диапазонных преобразователей частоты излучения, и блок согласования частот приема содержит блок когерентных частотных сдвигов приема, состоящий из основного и группы дополнительных когерентных преобразователей частоты приема, и блок формирования несущих частот приема, состоящий из основного и группы дополнительных диапазонных преобразователей частоты приема, сигнальные входы основного и группы дополнительных когерентных преобразователей частоты излучения являются соответствующими сигнальными входами блока согласования частот излучения, их опорные входы соединены между собой и являются первым опорным входом блока согласования частот излучения, сигнальные входы основного и группы дополнительных диапазонных преобразователей частоты излучения соединены с выходами соответствующих когерентных преобразователей частоты излучения, их опорные входы соединены между собой и являются вторым опорным входом блока согласования частот излучения и их выходы являются соответствующими выходами блока согласования частот излучения, сигнальные входы основного и группы дополнительных когерентных преобразователей частоты приема являются соответствующими сигнальными входами блока согласования частот приема, их опорные входы соединены между собой и являются первым опорным входом блока согласования частот приема, сигнальные входы основного и группы дополнительных диапазонных преобразователей частоты приема соединены с выходами соответствующих когерентных преобразователей частоты приема, их опорные входы соединены между собой и являются вторым опорным входом блока согласования частот приема и их выходы являются соответствующими выходами блока согласования частот приема.
Основная и группа дополнительных антенн излучения и основная и группа дополнительных антенн приема конструкционно выполнены в виде соответствующих групп антенных элементов, равномерно распределенных с заданным линейным шагом на соответствующих заданных интервалах заданной прямой линии.
В описании предложенного устройства используются определения:
- "вращение лучей" - эффект непрерывного поворота с первой заданной угловой скоростью в заданной плоскости расположения заданной группы антенн излучения линии синфазного сложения излучаемых электромагнитных полей зондирующих сигналов;
- "круговой обзор пространства" - эффект непрерывного поворота с второй заданной угловой скоростью в заданной плоскости расположения заданной группы антенн приема линии синфазного сложения излучаемых электромагнитных полей принимаемых сигналов;
- формирование суммарной вращающейся диаграммы направленности группы антенн приема.
В электромагнитные поля зондирующих сигналов, создаваемые антеннами первой группы, разнесенными с первым заданным линейным шагом на первом заданном интервале прямой линии, вводятся частотные сдвиги, кратные первому заданному частотному шагу, обеспечивая получение луча, вращающегося с первой угловой скоростью. В сигналы, отраженные от внешних объектов и принятые антеннами второй группы, разнесенными с вторым заданным линейным шагом на втором заданном интервале прямой линии, вводятся частотные сдвиги, кратные второму заданному частотному шагу, обеспечивая получение вращающейся с второй угловой скоростью приемной диаграммы направленности. В узле индикации формируется растр в координатах дальность - угол, на котором наблюдаются яркостные отметки сигнала, и в этом узле разделяются временные каналы, в которых измеряются доплеровские сдвиги частот соответствующих сигналов. Конструкционно антенны выполнены, например, в виде двух групп антенных элементов, равномерно распределенных с соответствующими линейными шагами на заданных отрезках прямой линии.
На фиг. 1 приведена блок-схема предложенного устройства, на фиг. 2, 3, 4, 5 и 6 - блок-схемы примеров выполнения узлов и блоков предложенного устройства и на фиг. 7 - пример расположения в пространстве конструкционных элементов антенной системы, для заданных величин М, N и L в соответствующих группах блоков.
Устройство на фиг. 1 содержит задающий генератор 1, блок 2 формирования напряжения несущей частоты, узел 3 формирования напряжений синхронизации, узел 4 формирования сигналов излучения, узел 5 формирования вращающихся лучей, узел 6 кругового обзора пространства и узел 7 индикации и измерения параметров сигналов приема.
Узел формирования вращающихся лучей содержит синтезатор 8 группы кратных частот излучения, состоящий из основного и группы дополнительных умножителей 91, 92, . . . 9N частоты излучения, блок 10 согласования частот излучения, основной и группу дополнительных преобразователей 111, 112, . . . 11N частоты излучения, основную и группу дополнительных антенн 121, 122, . . . 12N излучения.
Узел кругового обзора пространства содержит синтезатор 13 группы кратных частот приема, состоящий из основного и группы дополнительных умножителей 141, 142, . . . 14M частоты приема, блок 15 согласования частот приема, основную и группу дополнительных антенн 161, 162, . . . 16M приема, основной и группу дополнительных преобразователей 171, 172, . . . 17M частоты приема, основной и группу дополнительных фильтров 181, 182, . . . 18M приема и сумматор 19 приема.
Узел формирования напряжений синхронизации (фиг. 2) содержит делитель 20 шаговой частоты излучения, делитель 21 начальной частоты излучения, делитель 22 шаговой частоты приема, делитель 23 начальной частоты приема, делитель 24 цикловой частоты и делитель 25 тактовой частоты.
Узел формирования сигналов излучения (фиг. 3) содержит формирователь 26 импульсов и модулятор 27.
Узел индикации и измерения параметров сигналов приема (фиг. 4) содержит блок 28 наблюдения, состоящий из импульсного детектора 29, первого формирователя 30 пилообразного напряжения, второго формирователя 31 пилообразного напряжения и осциллографа 32, и блок 33 доплеровских измерителей, состоящий из распределителя 34 импульсов, группы ключевых элементов 351, . . . 35L, группы детекторов 361, . . . 36L огибающих импульсных последовательностей, группы счетчиков 371, . . . 37L и генератора 38 импульсов сброса.
Блок 10 (фиг. 5) согласования частот излучения содержит блок 39 когерентных частотных сдвигов, состоящий из основного и группы дополнительных когерентных преобразователей 401, 402, . . . 40N частоты излучения, и блок 41 формирования несущих частот излучения, состоящий из основного и группы дополнительных диапазонных преобразователей 421, 422, . . . 42N частоты излучения.
Блок 15 (фиг. 6) согласования частот приема содержит блок 43 когерентных частотных сдвигов, состоящий из основного и группы дополнительных когерентных преобразователей 441, 442, . . . 44M частоты приема, и блок 45 формирования несущих частот приема, состоящий из основного и группы дополнительных диапазонных преобразователей 461, 462, . . . 46M частоты приема.
На фиг. 2 в узле 3 позиция 47 является входом узла и позиции 48, 49, 50, 51, 52 и 53 являются соответственно выходами шаговой частоты излучения, начальной частоты излучения, шаговой частоты приема, начальной частоты приема, цикловой частоты и тактовой частоты узла.
На фиг. 3 в узле 4 позиции 54, 55 и 56 являются соответственно управляющим входом, сигнальным входом и выходом узла.
На фиг. 4 в узле 7 позиции 57, 58, 59 и 60 являются соответственно сигнальным входом, цикловым входом, кадровым входом и тактовым входом узла, позиции 611, . . . 61L , являются группой доплеровских выходов узла.
На фиг. 5 в блоке 10 позиции 621, 622, . . . 62N являются основным и группой дополнительных сигнальных входов блоков, позиции 63 и 64 являются соответственно первым и вторым опорными входами блоков, позиции 651, 652, . . . 65N, являются группой выходов блока.
На фиг. 6 в блоке 15 позиции 661, 662, . . . 66M являются основным и группой дополнительных сигнальных входов блоков, позиции 67 и 68 являются соответственно первым и вторым опорными входами блока, позиции 691, 692, . . . 69M, являются группой выходов блока.
На фиг. 7 позиции 70 и 71 являются соответственно первым и вторым заданными отрезками прямой линии - оси ОХ заданной пространственной системы координат (ОХ, OY, OZ), 721, 722, . . . 72N - являются группой антенных элементов излучения и 731, 732, . . . 73M, являются группой антенных элементов приема.
На фиг. 1 узлы и блоки соединены следующим образом.
Вход блока 2, вход 47 узла 3 и вход 55 узла 4 объединены и соединены с выходом блока 1.
Вход 54 узла 4 и вход 58 узла 7 объединены и соединены с выходом 52 узла 3.
Входы блоков 91, 92, . . . 9N узла 5 объединены и соединены с выходом 48 узла 3, входы блоков 141, 142, . . . 14M узла 6 объединены между собой и с входом 59 узла 7 и соединены с выходом 50 узла 3.
Входы 621, 622, . . . 62N блока 10 соответственно соединены с выходами блоков 91, 92, . . . 9N, входы 661, 662, . . . 66M блока 15 соответственно соединены с выходами блоков 141, 142, . . . 14N, вход 63 блока 10 и вход 67 блока 15 соответственно соединены с выходами 49 и 51 узла 3, вход 64 блока 10 и вход 68 блока 15 объединены и соединены с выходом блока 2.
Сигнальные входы блоков 111, 112, . . . 11N объединены и соединены с выходом 56 узла 4, опорные входы этих блоков соединены соответственно с выходами 651, 652, . . . 65N блока 10, и их выходы соединены соответственно с входами антенн 121, 122, . . . 12N излучения.
Сигнальные входы блоков 171, 172, . . . 17M соединены соответственно с выходами антенн 161, 162, . . . 16M приема, опорные входы этих блоков соответственно соединены с выходами 691, 692, . . . 69M блока 15, и их выходы соответственно соединены с входами блоков 181, 182, . . . 18M и выходы блоков 181, 182, . . . 18M соединены с соответствующими входами сумматора 19.
Сигнальный вход 57 узла 7 соединен с выходом сумматора 19, и тактовый вход 60 этого узла соединен с выходом 53 узла 3.
На фиг. 2, 3, 4, 5 и 6 блоки соединены следующим образом.
В узле 3 входы блоков 20, 21, 22, 23, 24 и 25 объединены и являются входом 47 этого узла, и выходы этих блоков являются выходами 48, 49, 50, 51, 52 и 53 этого узла.
В узле 4 вход блока 26, сигнальный вход блока 27 и выход блока 27 являются соответственно управляющим входом 54, сигнальным входом 55 и выходом 56 узла, управляющий вход блока 27 соединен с выходом блока 26.
В узле 7 сигнальные входы блоков 351, . . . 35L соединены между собой и с входом блока 29 и являются входом 57 узла. Вход блока 30 и вход сброса блока 34 соединены между собой и являются входом 58 узла. Вход блока 31 является входом 59 узла. Вход яркостных отметок, вход горизонтального отклонения и вход вертикального отклонения осциллографа 32 соединены соответственно с выходами блоков 29, 30 и 31. Тактовый вход блока 34 является входом 60 узла, и выходы блока 34 соответственно соединены с коммутирующими входами блоков 351, . . . 35L. Выходы блоков 351, . . . 35L соответственно соединены с входами блоков 361, . . . 36L. Сигнальные входы блоков 371, . . . 37L соответственно соединены с выходами блоков 361, . . . 36L, входы сброса этих блоков объединены и соединены с выходом блока 38, и выходы этих блоков являются выходами 611, . . . 61L узла.
В блоке 10 сигнальные входы блоков 401, 402, . . . 40N являются входами 621, 622, . . . 62N блока 10, опорные входы этих блоков соединены между собой и являются входом 63 блока 10, и выходы этих блоков соответственно соединены с сигнальными входами блоков 421, 422, . . . 42N, опорные входы блоков 421, 422, . . . 42N соединены между собой и являются входом 64 блока 10, и выходы этих блоков являются выходами 651, 652, . . . 65N блока 10.
В блоке 15 сигнальные входы блоков 441, 442, . . . 44M являются входами 661, 662, . . . 66M блока 10, опорные входы этих блоков соединены между собой и являются входом 67 блока 15, и выходы этих блоков соответственно соединены с сигнальными входами блоков 461, 462, . . . 46M, опорные входы блоков 461, 462, . . . 46M соединены между собой и являются входом 68 блока 15 и выходы этих блоков являются выходами 691, 692, . . . 69M блока 15.
Конкретное выполнение блоков и узлов устройства определяется используемой элементной базой. Например, на фиг. 1:
- в качестве блока 1 используется генератор [3, с. 135. . . 142] ,
- в качестве блока 2 - умножитель частоты [3, с. 143. . . 145] ,
- в качестве блоков 91, 92, . . . 9N и 141, 142, . . . 14M - умножители частоты [4, с. 170. . . 193] ,
- в качестве блоков 111, 112, . . . 11N и 171, 172, . . . 17M - преобразователи частоты [3, с. 124. . . 126] ,
- в качестве антенн 121, 122, . . . 12N излучения и антенн 161, 162, . . . 16M приема - антенные элементы рупорного вида [3, с. 25. . . 28] ,
- в качестве блоков 181, 182, . . . 18M - полосовые фильтры [3, с. 115. . . 118] ,
- в качестве блока 19 - сумматор [5, с. 105. . . 109] .
На фиг. 2. . . 6:
- в качестве блоков 20, 21, 22, 23, 24 и 25 используются делители частоты [6, с. 461. . . 465] ,
- в качестве блока 26 - ждущий мультивибратор [3, с. 334. . . 354] ,
- в качестве блока 27 - модулятор [3, с. 12. . . 15] ,
- в качестве блока 29 - видеодетектор [7, с. 59. . . 62] ,
- в качестве блоков 30 и 31 - формирователи пилообразного напряжения [8, с. 59. . . 62] ,
- в качестве блока 32 - осциллограф типа ИО - 4 (с входами на отклоняющие пластины и с входом для яркостных отметок),
- в качестве блока 34 - распределитель импульсов [6, с. 482. . . 484] ,
- в качестве блоков 351, . . . 35L - аналоговые ключи [5, с. 205. . . 208] ,
- в качестве блоков 361, . . . 36L - видеодетекторы [7, с. 59. . . 62] ,
- в качестве блоков 371, . . . 37L - счетчики импульсов [9, с. 456. . . 470] ,
- в качестве блока 38 - генератор [5, с. 150. . . 165] ,
- в качестве блоков 401, 402. . . 40N, 421, 422, . . . 42N, 441, 442, . . . 44M, 461, 462, . . . 46M - преобразователи частоты [3, с. 124. . . 126] .
Устройство на фиг. 1 работает следующим образом.
Блоки 1, 2 и узел 3 являются общими для излучающей и приемной частей радиолокатора. Узлы 4 и 5 являются излучающей частью (передающей стороной) устройства, узлы 6 и 7 - приемной частью (приемной стороной) устройства.
В блоке 1 генерируется напряжение задающей частоты FИз.
В блоке 2 формируется напряжение зондирующей частоты FИзон.
В блоке 3 формируется группа синхронизирующих напряжений соответствующих частот:
- шаговой частоты излучения FИш, позиция 48,
- начальной частоты излучения FИнз, позиция 49,
- шаговой частоты приема FПш, например FПш= NFИш, позиция 50,
- начальной частоты приема FПноп, позиция 51,
- цикловой частоты Fц, позиция 52,
- тактовой частоты Fт, позиция 53.
Из выходных напряжений узла 3 формируется группа исходных напряжений и группа опорных напряжений:
- в блоках 91, 92, . . . 9N узла 5 формируется группа напряжений с частотами nFИш и в блоке 10 в полученные напряжения вводятся частотные сдвиги FИнз и FИзон, образуя группу исходных напряжений sИиn(t), (t) - текущее время, с исходными несущими частотами
fИиn= FИзон+FИнз+nFИш, n= 1, . . . N;
- в блоках 141, 142, . . . 14М узла 8 формируется группа напряжений с частотами mFПш и в блоке 15 в полученные напряжения вводятся частотные сдвиги FПн и FИзон, образуя группу опорных напряжений uПmоп(t) с опорными частотами
fПmоп= FИзон-fПноп-mFПш, m= 1, . . . М.
На передающей стороне устройства в узле 4 формируется исходный заданный радиоимпульсный сигнал длительностью ТИз, например ТИз > 1/FИш, и с частотой заполнения FИз, который преобразователями 111, 112, . . . 11N частоты узла 5 переносится на частоты
fИn= FИзон+FИз+FИнз+nFИш, n= 1, . . . N;
образуя группу зондирующих радиоимпульсных сигналов sИn(t), n= 1, . . . N, с амплитудной модуляцией по закону АИ(t), длительностью ТИз, и с несущими частотами
fИn= FИз+FИиn= FИ0+nFИш= FИS-nFИшN/2+nFИш
FИ0= FИзон+FИз+FИнз, FИS= FИ0+FИшN/2,
sИn(t)= АИ(t)cos((2πfИnt)-γИ0-nγИш), n= 1, . . . N;
АИ(t)= 1 при 0 < t < ТИз,
АИ(t)= 0 при 0 > t, t > ТИз,
FИ0 и FИS - отсчетная и средняя частоты сигналов излучения,
γИ0 и nγИш, n= 1, . . . N, - заданные начальная и группа кратных фаз с заданным фазовым шагом γИш сигналов излучения, вводимые напряжениями преобразования частоты в исходный сигнал одновременно с соответствующими заданными частотными сдвигами.
Тем самым сигналы с выхода узла формирования сигналов излучения основным и группой дополнительных преобразователей частоты излучения преобразуются в группу зондирующих сигналов, которые затем излучаются соответственно основной и группой дополнительных антенн излучения.
Зондирующие сигналы излучаются антеннами 121, 122, . . . 12N излучения, конструкционно выполненными, например, в виде группы антенных элементов 721, 722, . . . 72N (фиг. 7), распределенных на первом заданном отрезке 70 оси ОХ длиной RИл равномерно с заданным шагом RИл/(N-1). После отражения от внешнего объекта сигналы принимаются антеннами 161, 162, . . . 16M приема, конструкционно выполненными, например, в виде группы антенных элементов 731, 732, . . . 73M (фиг. 7), распределенных на втором заданном отрезке 71 оси ОХ длиной RПл равномерно с заданным шагом RПл/(M-1).
Сигналы sИn(t) распространяются раз до внешнего подвижного объекта, сдвигаясь при этом по частоте на основной доплеровский частотный сдвиг FИд, суммируются, образуя суммарный сигнал sИ(t) на частоте FИ= FИS+FИд и отражаются от этого объекта, образуя группу парциальных отраженных сигналов sИотn(t) и их суммарный отраженный сигнал sИот(t) на частоте FИот= FИ, который после отражения распространяется до группы антенн 161, 162, . . . 16M приема и принимаются ими с дополнительным доплеровским частотным сдвигом FПд, образуя общий доплеровский частотный сдвиг FДоб= fИд+FПд сигнала.
Вследствие разности исходных несущих частот зондирующих сигналов на величины nFИш, создаваемые ими при излучении парциальные электромагнитные поля:
- в заданном направлении суммируются с постоянно нарастающими разностями взаимных фазовых сдвигов, при этом с периодом
ТИот= 1/FИш
выполняется условие синфазного суммирования сигналов излучений и между моментами времени синфазного сложения в пространстве распространяющихся и отраженных от внешнего объекта парциальных сигналов. Их сумма имеет вид импульсов (Пример 1) длительностью
τИот= 1/(NFИш)
- в заданный момент времени имеется заданное основное направление излучения сигналов, для которого выполняется условие синфазного суммирования излучаемых сигналов, и для остальных направлений излучения сигналов парциальные сигналы суммируются с распределенными в пределах 0. . . 2π фазами, образуя импульсное (лучевое) распределение мощности суммарного сигнала в пространстве (Пример 2).
Рассмотренная процедура описывает синтез общего вращающегося луча сигнала sИ(t) и соответствующего ему отраженного от внешнего объекта сигнала sИот(t), образованного суммированием сигналов sИотn(t) отраженных парциальных электромагнитных полей.
Отраженный от внешнего объекта суммарный сигнал sИот(t) поступает на каждую m-ую антенну приема, т. е. на М антенн приема по разным путям поступает NM сигналов sИПnm(t) от N антенн излучения. После отражения от внешнего объекта, сложения в пространстве по "n" и поступления на входы антенн приема, получаем на выходах этих антенн группу сигналов sИПm(t), каждый на средней по "n" частоте FП= FИS+Fдоб излучения с общим доплеровским сдвигом частоты, и с взаимными фазовыми сдвигами, определяемыми фазами принимаемых сигналов и расположением антенн приема.
На приемной стороне устройства принимаемые радиоимпульсы сдвигаются по частоте в диапазон промежуточных частот (с введением в них при этом группы соответствующих взаимных частотных сдвигов) в преобразователях 171, 172, . . . 17М частоты приема, на опорные входы которых подаются опорные напряжения uПmоп(t) с опорными частотами fПmоп
uПmоп(t)= cos((2πfПmопt)+γП0+mγПш), m= 1, . . . M;
fПmоп= FИзон-FПноп-mFПш= FПSоп+FПшM/2-mFПш, m= 1, . . . M;
FПSоп= FИзон-FПноп-FПшM/2
FИзон-FПноп и FПSоп - отсчетная и средняя частоты опорных напряжений,
γП0 и mγПш, m= 1, . . . М, - вводимые заданная начальная фаза и группа заданных кратных фаз с заданным опорным фазовым шагом γПш опорных напряжений.
Опорными напряжениями принятые сигналы преобразуются в группу сигналов sПm(t) с промежуточными частотами
fПm= FИS-fПmоп= FПS-mFПш, m= 1, . . . M;
FПS= FИS-FПSоп,
FПS - заданная средняя промежуточная частота (средняя частота выходного сигнала).
Преобразованные сигналы фильтруются от внешних шумов фильтрами 181, 182, . . . 18M приема, настроенными на соответствующие промежуточные частоты, образуя при этом группу сигналов sПm(t), m= 1. . . M, (на частотах fПm) которые затем складываются в сумматоре 19, образуя выходной сигнал sПвых(t).
Вследствие разности промежуточных частот принимаемых сигналов на величины mFПш:
- для заданного направления приема сигналы суммируются на соответствующих промежуточных частотах в блоке 19 с постоянно нарастающими разностями взаимных фазовых сдвигов, при этом с периодом
ТП= 1/FПш
выполняется условие синфазного суммирования принимаемых сигналов, и между моментами времени синфазного суммирования парциальных сигналов на соответствующих промежуточных частотах их сумма принимает вид импульсов (Пример 1) длительностью
τЛ= 1/(МFПш)= 1/(МNFИш)
- в заданный момент времени имеется основное заданное направление приема парциальных сигналов, для которого выполняется условие синфазного суммирования принимаемых сигналов, и для остальных направлений приема сигналов принимаемые парциальные сигналы суммируются с распределенными в пределах 0. . . 2π фазами, вследствие чего образуется импульсное (лучевое) распределение (по углу прихода на антенны 161, 162, . . . 16М приема отраженных сигналов) группы величин получаемых суммарных сигналов на выходе блока 19.
Рассмотренная процедура описывает синтез диаграммы направленности приема сигналов с круговым обзором пространства с использованием группы антенн приема и суммированием парциальных принимаемых сигналов sПm(t) на соответствующих промежуточных частотах.
Отметим, что в примере, когда рассматривается группа разнесенных в пространстве заданных внешних объектов, для каждого из этих объектов используются заданные зондирующие сигналы sИn(t), n= 1, . . . N, и заданные опорные напряжения uПmoп(t), m= 1, . . . М, с соответствующими заданными фазами γИ0+ nγИш и γП0+ mγПш.
Выходной сигнал SПвых(t) с выхода узла 6 (с выхода сумматора 19 приема) подается на сигнальный вход узла 7, на цикловый, кадровый и тактовый входы которого подаются синхронизирующие напряжения частот Fц, FПш и Fт.
В узле 7 выполняются следующие операции:
- определяется на экране электронно-лучевой трубки индикатора положение в пространстве внешнего объекта в координатах дальность - угол направления прихода сигнала;
- разделяются сигналы по заданной группе временных каналов;
- измеряются доплеровские сдвиги несущих частот сигналов и соответствующих им скоростей перемещения подвижных внешних объектов для заданной группы временных каналов выходных сигналов, соответствующих заданной группе пунктов местоположения внешних объектов.
Блоки и узлы (фиг. 1. . . 6) устройства работают следующим образом.
В блоке 1 генерируется (например, автогенератором - гармоническое напряжение) исходное напряжение заданной частоты FИз, из которого формируются в блоке 2 (например, умножителем частоты) напряжение заданной частоты FИзон и в узле 3 (например, на фиг. 2 - делителями частоты 20. . . 25) - напряжения заданных частот соответственно FИш, FИнз, Fпш, FПноп, Fц и Fт,
В узле 4 (фиг. 3) в блоке 27, выполненном, например, в виде ждущего мультивибратора, формируется последовательность видеоимпульсов заданной длительности ТИз с периодом повторения Тц= 1/Fц, и в блоке 28, выполненном, например, в виде амплитудного модулятора, из этих импульсов формируется последовательность радиоимпульсов с несущей частотой FИз.
В блоке 8 узла 5 формируется умножителями частоты 91, 92, . . . 9N группа когерентных напряжений кратных частот и кратных фаз излучения.
В блоке 10 (фиг. 5) в полученные когерентные напряжения в блоках 401, 402, . . . 40N вводится начальный сдвиг частоты FИн излучения, и в блоках 421, 422, . . . 42N вводится частотный сдвиг заданной несущей частоты FИзон, образуя группу исходных сигналов с частотами
fИиn= FИзон+FИнз+nFИш, n= 1, . . . N.
Преобразователями 111, 112, . . . 11N частоты излучения спектр последовательности радиоимпульсов, поступающих с выхода узла 4, переносится в диапазон частот излучения сигнала, и сигналы излучаются антеннами 121, 122, . . . 12N излучения.
В блоке 13 узла 6 формируется умножителями частоты 141, 142, . . . 14M группа когерентных опорных напряжений кратных частот и кратных фаз приема.
В блоке 15 (фиг. 6) в полученные когерентные напряжения в блоках 441, 442, . . . 44M вводится начальный сдвиг частоты FПноп приема и в блоках 461, 462, . . . 46M вводится частотный сдвиг заданной несущей частоты FИзон, образуя группу опорных сигналов с частотами
fПmоп= FИзон-(FПноп+mFПш), m= 1, . . . M.
Преобразователями 171, 172, . . . 17M частоты приема в сигналы, поступающие с соответствующими фазовыми сдвигами с выходов антенн 161, 162, . . . 16M приема, многоканально вводятся взаимные частотные сдвиги несущих частот, полученные импульсы фильтруются полосовыми фильтрами 181, 182, . . . 18M приема, и отфильтрованные сигналы суммируются в блоке 19.
В узле 7 (фиг. 4) в блоке 28 синхронно и в соответствии с заданным циклом обзора пространства для наблюдения принятых сигналов осуществляется формирование растра на экране осциллографа с использованием для горизонтальной и вертикальной разверток напряжений блоков 30 и 31, синхронизируемых напряжениями цикловой частоты и шаговой частоты приема. Принятый сигнал с выхода блока 19 детектируется в блоке 29 и индицируется на экране осциллографа 32 в виде яркостной отметки со сдвигом по горизонтали и вертикали в растре соответственно дальности и углу прихода сигнала после его отражения от внешнего объекта. При длительности принятого сигнала, большей периода шаговой частоты приема, сигнал на экране имеет вид отрезка пунктирной линии из группы точек, смещенных по горизонтали соответственно дальности от соответствующего участка поверхности внешнего объекта и по вертикали соответственно углу прихода сигнала, отраженного от этого участка поверхности внешнего объекта. Например, в случае приема сигналов, отраженных от группы протяженных внешних объектов, эти объекты распознаются по взаимным расположениям на экране осциллографа соответствующих отрезков пунктирных линий.
В блоке 33 узла 7 осуществляется разделение принятых сигналов по заданной группе из L временных каналов, длительностью, например, Ткан= (2/FПш)/М и количеством L= Тц/Ткан, для чего распределителем 34 импульсов, использующим для цикловой и тактовой синхронизации сигналы узла 3 с частотами Fц и Fт, формируется группа канальных стробирующих импульсов, и ключевыми элементами 351, . . . 35L из принятых сигналов выделяются канальные сигналы, имеющие вид импульсных последовательностей с доплеровскими модуляциями их огибающих. Детекторами 361, . . . 36L огибающих выделяются доплеровские напряжения и в счетчиках 371, . . . 37L подсчитываются количества положительных полуволн полученных напряжений за заданное время измерения Тизм, устанавливаемое генератором 38 импульсов сброса.
Пример 1
На передающей стороне устройства формируется группа зондирующих радиоимпульсных сигналов sИn(t), n= 1, . . . N, с амплитудной модуляцией по закону АИ(t), длительностью ТИз, и с несущими частотами
fИn= FИз+FИиn= FИ0+nFИш= FИS-FИшN/2+nFИш
FИ0= FИзон+FИз+FИнз, FИS= FИ0+FИшN/2,
sИn(t) = AИ(t)cos((2πfИnt)-γИ0-nγИш), n= 1, . . . N;
АИ(t)= 1 при 0 < t < ТИз,
АИ(t)= 0 при 0 > t, t > ТИз,
FИ0 и FИS - отсчетная и средняя частоты сигналов излучения,
γИ0 и nγИш, n= 1, . . . , N - заданные начальная и группа кратных фаз с заданным фазовым шагом γИш сигналов излучения, вводимые напряжениями преобразования частоты в исходный сигнал одновременно с соответствующими заданными частотными сдвигами.
На приемной стороне устройства формируется группа опорных напряжений uПmоп(t) с опорными частотами fПmоп,
uПmоп(t) = cos((2πfПmопt)+γП0+mγПш), m= 1, . . . M,
fПmоп= FИзон-FПноп-mFПш= FПSоп+FПшM/2-mFПш, m= 1, . . . M,
FПSоп= FИзон-FПноп-FПшM/2,
FИзон-FПноп и FПSоп - отсчетная и средняя частоты опорных напряжений,
γП0 и mγПш, m= 1, . . . , М - вводимые заданная начальная фаза и группа заданных кратных фаз с заданным опорным фазовым шагом γПш опорных напряжений.
Опорными напряжениями принятые сигналы преобразуются в группу сигналов sПm(t) с промежуточными частотами
fПm= FИS-fПmоп= FПS-mFПш, m= 1, . . . M,
FПS= FИS-FПSоп,
FПS - заданная средняя промежуточная частота (средняя частота выходного сигнала).
В примере рассмотрен случай FПш= NFИш.
Сигналы парциальных электромагнитных волн для заданного расположения в пространстве отрезка прямой линии пунктов излучения (антенн излучения) посредством заданной ориентации в пространстве углом GИзад между ним и направлением на внешний объект излучаются и распространяются до внешнего объекта за время
tИn= ТИ0-(n-1)ТИR, ТИ0= RИ0/С, ТИR= RИлcos(GИзад)/(C(N-1)), ФИR= 2πFИSTИR,
RИ0 - общее заданное расстояние от начала (по времени излучения) интервала расположения пунктов излучения до внешнего объекта,
RИл - заданная длина интервала расположения пунктов излучения,
С - скорость распространения электромагнитных волн в заданной среде,
ТИ0 - общее время распространения фронтов излученных парциальных электромагнитных волн,
ТИR - шаг взаимных разностей времени хода парциальных электромагнитных волн при излучении,
ФИR - шаг взаимных разностей фаз парциальных электромагнитных волн при излучении.
Зондирующие сигналы распространяются до внешнего объекта за время и отражаются от него, образуя группу отраженных сигналов
n= 1, . . . N,
QИ и QИот - коэффициенты ослабления электромагнитной волны при ее распространении и отражении от внешнего объекта;
FИд - доплеровское смещение частоты излученного сигнала в момент его отражения от движущегося внешнего объекта.
Сигналы парциальных электромагнитных волн для заданного расположения в пространстве отрезка прямой линии пунктов приема (антенн приема) посредством заданной ориентации в пространстве углом GПзад между ним и направлением на внешний объект отражаются от внешнего объекта и распространяются до антенн приема за время
tПn= ТП0+(m-1)ТПR, ТП0= RП0/С, ТПR= RПлcos(GПзад)/(C(M-1)), ФПR= 2πFИSTПR,
RП0 - общее заданное расстояние от внешнего объекта до начала (по времени приема) интервала расположения пунктов приема,
RПл - заданная длина интервала расположения пунктов приема,
С - скорость распространения электромагнитных волн в заданной среде,
ТП0 - общее время распространения фронтов принимаемых парциальных электромагнитных волн,
ТПR - шаг взаимных разностей времени хода парциальных электромагнитных волн при приеме,
ФПR - шаг взаимных разностей фаз парциальных электромагнитных волн при приеме.
Отраженный суммарный (из парциальных излученных) сигнал распространяется до приемных антенн и принимается с дополнительной доплеровской частотой приема FПд.
Принимаемые сигналы и опорные напряжения подаются соответственно на сигнальные и опорные входы преобразователей частоты приема, на выходах которых получаем группу сигналов sПm(t) на промежуточных частотах fПn+FДоб, где FДоб= FИд+FПд:
sПm(t)= QИQИотQПQПсмQПфAИ(t-ТИ0-ТП0)cos(2π(fПm+FДоб)(t-ТИ0-ТП0)-γПО-mγПш-mФПR), m= 1, . . . M,
QП - коэффициент ослабления электромагнитных волны при их распространении от внешнего объекта до приемных антенн,
QПсм и QПф - коэффициенты ослабления сигнала в преобразователях 171, 172, . . . 17M частоты приема и в фильтрах 181, 182, . . . 18M приема.
В этом примере рассматривается синтез сигнальных импульсных последовательностей из излучаемых и принимаемых сигналов и появление в этих последовательностях дополнительной доплеровской амплитудной модуляции при приеме сигналов, с использованием выражений для импульсных сигналов на периоде времени 1/FШ в виде стандартных гармонических косинусных и синусных рядов:
Bс(t)= К при t= 0,
F0, FШ, К - заданные параметры уравнений.
Представим парциальные и суммарный отраженные с доплеровским сдвигом частоты сигналы sИотn(t) и sИот(t), и принимаемые сигналы sИПm(t) в диапазоне СВЧ, sПm(t) и sПвых(t) в диапазоне промежуточных волн, в виде сумм ортогональных гармонических компонентов с косинусными и синусными модулирующими доплеровскими сигналами
Из этих выражений следует, что при синтезе импульсных сигналов наличие доплеровских сдвигов несущих частот сигналов приводит к появлению дополнительных (помимо АИ(t)) периодических гармонических амплитудных модуляций cos(2πFИдt) и cos(2πFДобt) соответствующих синтезированных импульсов DИимпс(t) и DПимпс(t):
DИимпс(t)= (sin(πnFИшt))/sin(πFИшt), DПимпc(t)= (sin(πmFПшt))/sin(πFПшt).
В примере рассмотрен случай 
- модуль максимального общего доплеровского сдвига несущей частоты сигнала.
Для отраженного от внешнего объекта суммарного сигнала и выходного сигнала соответственно
ТИсдв= (γИш+ФИR)/2πFИш= ТИуст+ТИG, ТИуст= γИш/2πFИш, ТИG= ФИR/2πFИш,
ТПсдв= (γПш+ФПR)/2πFПш= ТПуст+ТПG, ТПуст= γПш/2πFПш, ТПG= ФПR/2πFпш,
ТИсдв и ТПсдв - временные сдвиги синтезированных импульсов,
ТИуст и ТПуст - временные сдвиги, устанавливаемые заданными фазами γИш и γПш исходных сигналов и опорных напряжений,
ТИG и ТПG - временные сдвиги, соответствующие фазам ФИR и ФПR и, следовательно, ТИR и ТПR и углам GИзад и GПзад,
DИимпс(t), DПимпс(t) - периодические импульсные последовательности, синтезируемые, соответственно, при облучении электромагнитными полями внешнего объекта и сжатии сигнала в приемной части устройства.
Таким образом, поочередно, с периодом ТИот= 1/FИш, формируются облучающие внешний объект синтезированные импульсы длительностью τИот= 1/(NFИш) и со сдвигом во времени ТИ0+ТИсдв+ТИуст+ТИG. На выходе приемной части поочередно, с периодом ТП= 1/FПш, формируются выходные синтезированные импульсы длительностью τЛвых= 1/(МFПш)= 1/(МNFИш) и со сдвигом во времени ТИ0+ТП0+ТПуст+ТПG.
Технически наблюдение за группой объектов осуществляется, например, с использованием развертки на экране электронно-лучевой трубки в виде растра (с заданным периодическим изменением масштаба общей развертки строками кадра).
Пример 2
В этом примере приведены характерные операции при синтезе вращающегося луча зондирующего сигнала с использованием группы блоков 91, 92, . . 9N, блока 10, группы блоков 111, 112, . . . 11N и группы антенн 121, 122, . . . 12N излучения,
и операции при синтезе обзорной вращающейся диаграммы направленности приемной антенной системы с использованием группы блоков 141, 142, . . . 14M, блока 15, группы блоков 171, 172, . . . 17M, группы антенн 161, 162, . . . 16M приема, группы блоков 181, 182, . . . 18M и сумматора 19.
Как показано в примере 1, при синтезе импульсных сигналов из группы узкополосных и гармонических сигналов, появление в отраженном от внешнего двигающегося объекта доплеровских сдвигов несущих частот эквивалентно появлению дополнительной (к АИ(t)) амплитудной модуляции в исходном сигнале, вследствие чего в примере 2 доплеровские сдвиги несущих частот не существенны.
Как и в примере 1, сигналы парциальных электромагнитных волн для заданного расположения в пространстве отрезка прямой линии пунктов излучения (антенн излучения) посредством заданной ориентации в пространстве углом GИзад между ним и направлением на внешний объект излучаются и распространяются до внешнего объекта за время
tИn= ТИ0-(n-1)ТИR, ТИ0= RИ0/С, TИR= RИлcos(GИзад)/(C(N-1)), ФИR= 2πFИSTИR,
RИ0 - общее заданное расстояние от начала (по времени приема) интервала расположения пунктов излучения до внешнего объекта,
RИл - заданная длина интервала расположения пунктов излучения,
С - скорость распространения электромагнитных волн в заданной среде,
ТИ0 - общее время распространения фронтов излученных парциальных электромагнитных волн,
ТИR - шаг взаимных разностей времени хода парциальных электромагнитных волн при излучении.
Таким образом, для заданного расположения в пространстве отрезка прямой линии пунктов излучения (антенн излучения) и для заданной средней частоты FИS сигналов излучения в парциальные электромагнитные волны всегда вводятся пространственные фазовые сдвиги ψИn (GИзад):
ψИn(GИзад) = ψИ0-(n-1)ψИш(GИзад),
ψИ0 = 2πFИSTИ0,
ψИш(GИзад) = 2πFИSTИRcos(GИзад).
Вследствие разности взаимных частот зондирующих сигналов на величины nFИш, создаваемые ими, парциальные электромагнитные волны характеризуются нарастающими во времени взаимными фазовыми сдвигами ϕИn(t)
ϕИn(t) = ϕИО-(n-1)ϕИш(t) = ϕИ0-2π(n-1)FИшt,
ϕИ0 - заданный вводимый начальный фазовый сдвиг излучаемых сигналов,
ϕИш(t) - заданный нарастающий во времени шаг взаимных фазовых сдвигов излучаемых сигналов.
Имеется заданное направление GИзад в пространстве, для которого при всех n в заданные моменты времени tИзадj, j= 1, . . . J, выполняется условие синфазного по модулю 2π суммирования парциальных электромагнитных волн
т. е. при GИзад имеем ϕИn(tИзадj)= 2π(n-1)FИшtИзадj= 2πi, n= 1, . . . N, j= 1, . . . J, i= 1, . . . I,
J, I - целые числа, заданные в соответствии с заданным временем наблюдения,
в то время как для углов направлений, не равных GИзад в моменты времени tИзадj, парциальные электромагнитные волны суммируются с распределенными в пределах 0. . . 2π фазами и тем самым их сумма существенно ослабляется (по сравнению с синфазным сложением), вследствие чего образуется импульсное (лучевое) распределение мощности суммарного сигнала в пространстве.
Посредством согласованного изменения параметров tИзадj и GИзад поддерживается выполнение условия синфазного по модулю 2π суммирования парциальных электромагнитных волн, т. е. диаграмме направленности излучения придается вид непрерывно вращающегося луча (вид нестационарной диаграммы направленности с непрерывно изменяющимся углом направления излучения GИвр(t)= 2πt/FИш, с периодом вращения ТИвр= 1/FИш.
Таким образом, в группе плоскостей пространства, проходящих через отрезок прямой линии расположения пунктов излучения (антенн излучения), нестацинарная диаграмма направленности излучения имеет вид непрерывно вращающегося луча с непрерывно изменяющимся углом направления излучения GИвр(t)= 2πt/FИш, с периодом вращения ТИвр= 1/FИш и изменяющейся при этом шириной ΔИ(GИвр(t))= 2π/(NFИшsin(GИвр(t))) луча сигнала, увеличивающейся в течение периода вращения от 2π/(NFИш) до всенаправленности в течение времени 1/NFИш (существенно малой части всего заданного периода вращения луча).
В плоскостях пространства, нормальных отрезку прямой линии расположения пунктов излучения (антенн излучения), диаграмма направленности излучения имеет вид колец с непрерывно изменяющимися диаметром и толщиной и в трехмерном пространстве - вид конической поверхности зонта, непрерывно с периодом 1/FИш складывающегося и раскрывающегося, и при этом соответственно с увеличивающейся и уменьшающейся толщиной поверхности покрытия зонта.
Как и в примере 1, сигналы парциальных электромагнитных волн для заданного расположения в пространстве отрезка прямой линии пунктов приема (антенн приема) посредством заданной ориентации в пространстве углом GПзад между ним и направлением на внешний объект отражаются от внешнего объекта и распространяются до антенн приема за время
tПn= ТП0+(m-1)ТПR, ТП0= RП0/С, ТПR= RПлcos(GПзад)/(C(M-1)),
RП0 - общее заданное расстояние от внешнего объекта до начала (по времени приема) интервала расположения пунктов приема,
RПл - заданная длина интервала расположения пунктов приема,
С - скорость распространения электромагнитных волн в заданной среде,
TП0 - общее время распространения фронтов принимаемых парциальных электромагнитных волн,
ТПR - шаг взаимных разностей хода принимаемых парциальных электромагнитных волн.
Таким образом, для заданного расположения в пространстве отрезка прямой линии пунктов приема (антенн приема) для заданной средней частоты fИS сигналов излучения и для заданной средней частоты FПS сигналов приема в парциальные электромагнитные волны всегда вводятся пространственные фазовые сдвиги ψПm(GПзад):
ψПm(GПзад) = ψП0-(m-1)ψПш(GПзад),
ψП0 = 2πFИSTП0,
ψПш(GП) = 2πFИSTПRcos(GПзад).
Вследствие разности промежуточных частот принимаемых сигналов на величины mFЛш напряжения промежуточных частот характеризуются нарастающими во времени взаимными фазовыми сдвигами ϕПm(t):
ϕПm(t) = ϕП0-(m-1)ϕПш(t) = ϕП0-2π(m-1)FПшt,
ϕП0 - сумма заданных вводимого и сигнального начальных фазовых сдвигов принимаемых сигналов,
ϕПш(t)- - заданный нарастающий во времени шаг взаимных фазовых сдвигов принимаемых сигналов.
Имеется заданное направление GПзад в пространстве, для которого при всех m в заданные моменты времени tПзадh, h= 1, . . . Н, выполняется условие синфазного по модулю 2π суммирования принятых сигналов
т. е. при GПзад имеем ϕПm(tИзадp)= 2π(m-1)FПшtПзадр= 2πр, n= 1, . . . N, р= 1, . . . Р, h= 1, . . . Н,
H, Р - целые числа, заданные в соответствии с заданным временем наблюдения,
в то время как для углов направлений, не равных GПзад в моменты времени tПзадh, принятые парциальные сигналы суммируются с распределенными в пределах 0. . . 2π фазами, и тем самым их сумма существенно ослабляется (по сравнению с синфазным сложением), вследствие чего образуется импульсное ("лучевое") распределение (по углу прихода на антенны 161, 162, . . . 16M приема отраженных сигналов) получаемых выходных сигналов на выходе сумматора 19.
Посредством согласованного изменения параметров tПзадj и GПзад поддерживается выполнение условие синфазного по модулю 2π суммирования принятых парциальных сигналов, т. е. диаграмме направленности приема придается вид непрерывно вращающегося "луча" (вид нестационарной диаграммы направленности с непрерывно изменяющимся углом направления приема GПвр(t)= 2πt/FПш, с периодом вращения ТПвр= 1/FПш).
Таким образом, в группе плоскостей пространства, проходящих через отрезок прямой линии расположения пунктов приема (антенн приема), нестационарная диаграмма направленности приема имеет вид непрерывно вращающегося "луча" (с непрерывно изменяющимся углом направления приема GПвр(t)= 2πt/FПш, с периодом вращения ТПвр= 1/FПш и изменяющейся при этом шириной ΔП(GПвр(t))= 2π/MFПшsin(GПвр(t))) луча приема, увеличивающейся в течение периода вращения от 2π/(МFПш) до всенаправленности в течение времени 1/МFПш (существенно малой части всего периода вращения "луча" диаграммы направленности приема).
В плоскостях пространства, нормальных отрезку прямой линии расположения пунктов приема (антенн приема), диаграмма направленности приема имеет вид колец с непрерывно изменяющимися диаметром и толщиной и в трехмерном пространстве - вид конической поверхности зонта, непрерывно с периодом 1/FПш складывающегося и раскрывающегося, и при этом соответственно с увеличивающейся и уменьшающейся толщиной поверхности покрытия зонта.
Пример 3
Выбор области применения предложенного радиолокатора и оценку его эффективности покажем путем сравнения предложенного устройства, использующего для вращения лучей и диаграмм направленности когерентные преобразователи частот, и известных радиолокаторов, использующего для сканирования лучей и диаграмм направленности управляемых фазовращателей в диапазоне СВЧ и механическое изменение положения в пространстве передающей и приемной антенн. Этими известными радиолокаторами и их характерными параметрами являются, например:
1. Радиолокаторы [11] , работающие в 10 см диапазоне волн, применяющие для сканирования диаграмм направленности заданное взаимно согласованное управление в диапазоне СВЧ соответствующими группами фазовращателей.
2. Радиолокаторы [12] , использующие фазовращатели для быстрого сканирования пространства в течение длительности принимаемого импульсного сигнала. При максимально достижимой скорости сканирования с использованием фазовращателей в сантиметровом диапазоне волн в настоящее время обеспечивается качание луча в заданном секторе обзора за 10 мкс, чем определяется длительность зондирующего импульса.
3. Радиолокаторы [13] с использованием движения самолета и благодаря этому использующие синтезирование апертуры эквивалентной антенны.
Количество антенн на самолете, например, равно 50, и, следовательно, длина образованной ими фазированной антенной решетки равна 2,5 м.
Эти радиолокаторы характеризуются тем, что в течение полета самолета, например, со скоростью 3600 км в час за 1 секунду синтезируется эквивалентная апертура антенны размером 1 км, при этом предельно достижимая разрешающая способность равна 1,25 м.
4. Радиолокаторы [14] , использующие расширение спектра зондирующего сигнала на передающей стороне (например, внутриимпульсной модуляцией сигнала) и сжатием принятых сигналов на приемной стороне.
Предложенный радиолокатор, например, характеризуется тем, что он работает с зондирующими импульсами заданной длительности, например 10 мкс (задается длительностью импульса с выхода блока 4, стробирующего напряжения несущих частот). Антенны излучения расположены на заданном отрезке прямой линии через 5 см, их количество равно 50, и, следовательно, длина образованных ими антенных систем равна 2,5 м. Зондирующие импульсы в течение 10 мкс излучаются 50-ю антеннами излучения на неодинаковых несущих частотах, например, на начальной частоте 3 ГГц и частотах, с шагом их разностей относительно начальной частоты 100 КГц, создавая тем самым последовательно через 0,2 мкс в 50 заданных направлениях через 7,2 градуса по нулевому уровню парциальные вращающиеся лучи подсвета отражающей поверхности, шириной 7,2 градуса по нулевому уровню в заданном общем секторе пространства, например, в пределах от -45 градуса до +45 градуса относительно нормали к линии расположения соответствующей группы антенн излучения (полученные вращающиеся лучи несущественно расширяются к границам этого сектора). Получение заданных дальностей обнаружения, наряду со сжатием сигналов, обеспечивается использованием соответствующих заданных стробирующих импульсов с выхода блока 4 (например, длительностью 2,5 мкс). Заданный угол расположения в пространстве сформированных вращающихся лучей в заданный момент времени определяется заданными вводимыми фазовыми сдвигами в излучаемые сигналы (т. е. соответствующими фазами группы исходных сигналов на выходах блока 10).
Отметим, что при радиолокационном обнаружении группы разнесенных в пространстве заданных внешних объектов для раздельного подсвета каждого из этих объектов используются заданные зондирующие сигналы sИn(t), n= 1, . . . N, с соответствующими заданными фазами γИ0+ nγИш.
Парциальные вращающиеся лучи достигают соответствующих участков отражающей поверхности (например, участков поверхности земли) с существенно разными временными задержками - на соответствующие времена распространения вращающегося луча до этих участков, и подсвечивают их с разрешением на каждом участке подсвета элементов дальности, взаимно удаленных не менее чем на 60 м.
Отраженные от соответствующих участков поверхности объекта вращающиеся лучи (например, участков поверхности земли) в направлениях соответствующих элементарных секторов обзора с существенно разными временными задержками поступают на группу антенн приема. При приеме отраженных сигналов осуществляется обзор каждого разрешенного элемента дальности использованием кругового обзора пространства (кругового вращения направления приема сигналов). Для этого сигналы принимаются 50 антеннами приема с равномерным их расположением на заданном отрезке прямой линии и преобразуются с использованием напряжений соответствующих опорных частот - с шагом разностей опорных частот 5 МГц относительно начальной опорной частоты, создавая тем самым последовательно через 0,004 мкс в 50 заданных направлениях через 7,2 градуса по нулевому уровню элементарные секторы обзора ("лучи" обзора) шириной 7,2 градуса по нулевому уровню в заданном общем секторе пространства, например, в пределах общего сектора обзора, например, в пределах от -45 градуса до +45 градуса относительно нормали к линии расположения соответствующей группы антенн приема (полученные лучи несущественно расширяются к границам общего сектора). Тем самым сформирована группа взаимно примыкающих в пространстве элементарных секторов обзора, обеспечивающих последовательный прием радиосигналов с каждого направления (с каждого подсвеченного элемента разрешения) в течение 0,004 мкс, чем обеспечивается разрешение кругового обзора на каждом участке подсвета обзорных элементов дальности, взаимно удаленных не менее чем на 1,2 м. Положение элементарных секторов обзора в пространстве в заданный момент времени и, следовательно, элемента дальности обзора на элементе соответствующего участка подсвета в заданном направлении, определяется заданными вводимыми фазовыми сдвигами в принимаемые сигналы (т. е. соответствующими фазами группы опорных напряжений на выходах блока 15).
Отметим, что при радиолокационном обнаружении группы разнесенных в пространстве заданных внешних объектов для раздельного обзора каждого из этих объектов при приеме сигналов используются заданные опорные напряжения uПmoп(t), m= 1, . . . М, с соответствующими заданными фазами γП0+ mγПш.
В устройствах известного вида, например, [14] , заданный импульсный сигнал излучается и принимается в течение заданного временного кадра в заданном элементарном секторе пространства, лишь в одном из заданных направлений неподвижным лучом, например, шириной 7,2 градуса по нулевому уровню, после чего следующий импульсный сигнал излучается и принимается в следующем временном кадре в следующем элементарном секторе пространства. Все элементарные секторы находятся в пределах общего сектора пространства шириной, например, от -45 градуса до +45 градуса.
Неподвижный луч подсвета сигнала длительностью, например, 10 мкс достигает отражающей поверхности объекта (например, поверхности земли) с временной задержкой на время распространения неподвижного луча, и подсвечивают ее с разрешением элементов дальности, взаимно удаленных не менее чем на 3000 м. Обзор земной поверхности в заданном направлении в известном устройстве осуществляется посредством приема отраженных сигналов с временной задержкой на время распространения этих сигналов от поверхности объекта (например, поверхности земли) в заданном направлении, в соответствии с заданным положением и шириной элементарного сектора приема 7,2 градуса по нулевому уровню, с разрешением элементов дальности, взаимно удаленных не менее чем на 3000 м (в 2500 раз хуже, чем в предложенном радиолокаторе). Эта величина разрешающей способности обычно неприемлема для промышленной применимости, и для улучшения разрешающей способности в известных радиолокационных системах дополнительно используются системы и устройства, примерами которых являются:
- радиолокаторы [12] , использующие управляемые СВЧ фазовращатели для сканирования диаграммы направленности в течение длительности принимаемого импульсного сигнала. Максимально достижимая скорость сканирования с использованием фазовращателей в сантиметровом диапазоне волн в настоящее время обеспечивается качанием диаграммы направленности в заданном общем секторе обзора за 10 мкс, тогда как предложенным радиолокатором вместо этого качания осуществляется вращение диаграммы направленности за 0,2 мкс, т. е. в 50 раз быстрее;
- радиолокаторы [13] с использованием движения самолета и благодаря этому использующие синтезирование апертуры эквивалентной антенны. Эти радиолокаторы характеризуются тем, что эквивалентная апертура антенны размером 1 км синтезируется за 1 секунду, т. е. сбор и обработка информации осуществляется в 100000 раз дольше для получения той же разрешающей способности, чем в предложенном радиолокаторе;
- радиолокаторы [14] , использующие расширение спектра зондирующего сигнала на передающей стороне (например, внутриимпульсной модуляцией сигнала) и сжатием принятых сигналов на приемной стороне. Для этих устройств характерно, что при заданной разрешающей способности сигналов на выходе их приемной части, например, 12 м, т. е. при заданной длительности сжатого сигнала 0,004 мкс и тем самым при заданной полосе пропускания сжимающих фильтров приемной части этого известного устройства 250 МГц, необходимо использовать излучаемый сигнал в том же частотном диапазоне шириной 250 МГц. В предложенном устройстве, при одинаковой с известным устройством заданной разрешающей способности сигналов на выходе их приемной части, используется группа излучаемых зондирующих сигналов в частотном диапазоне общей шириной 5 МГц, т. е. в 50 раз эффективнее используется занимаемый в пространстве частотный диапазон.
Техническая эффективность предложенного устройства заключается в следующем:
1. По сравнению с прототипом в N, М раз (например, в 32 раза) увеличивается количество пространственных угловых каналов одновременного обнаружения сигналов (повышается информативность и точность разделения и измерения направлений на внешние объекты).
2. Получение информации о направлениях на внешние объекты существенно проще по сравнению с аналогами, т. к. не требуются текущие подстройки и корректировки СВЧ-цепей для каждого направления на внешние объекты - формирование и обработка зондирующих и принятых сигналов осуществляется одновременно (параллельно) для всех направлений, в общих цепях (эквивалентно одноканальным системам) и в реальном времени (используется модуляционное расширение спектров сигналов).
3. В доплеровских системах обнаружение сигналов осуществляется без использования многоканальной фильтрации сигнала по доплеровским частотам, что существенно упрощает эти доплеровские системы.
4. В предложенном радиолокаторе схемотехнически (наряду с использованием направленных антенн) отделяются и подавляются паразитные сигналы пространственных боковых каналов - эти паразитные сигналы оказываются в боковых временных каналах, т. е. повышается помехозащищенность и надежность радиолокационных систем.
5. В системах с принципиально ненаправленными излучением и приемом сигналов (например, в радиовысотомерах [9] ), использование предложенного радиолокатора защищает системы от паразитных отражений и переотражений сигналов от местных неровностей, построек и объектов (паразитные сигналы оказываются в боковых временных каналах кадра выходных импульсов), чем повышаются помехозащищенность и надежность систем.
6. В системах подповерхностной радиолокации [10] использование предложенного устройства защищает систему от паразитных сигналов по неосновным путям распространения зондирующего сигнала (паразитные сигналы оказываются в боковых временных каналах кадра выходных импульсов), а также обеспечивается распознавание внешних объектов по геометрическим признакам.
Экономическая эффективность предложенного устройства заключается в следующем:
1. По сравнению с радиолокаторами, использующими фазированные антенные решетки [1] , в предложенном техническом решении не требуется использование дорогостоящих дополнительных элементов текущих перестроек и корректировок СВЧ цепей для перемещения (вращения, сканирования) в пространстве лучей сигналов и направлений приема при круговом обзоре пространства, устройств последовательного съема и взамносопряженной обработки выходных сигналов соседних временных каналов, т. к. сигналы этих каналов сразу формируются в общем временном ряду.
2. По сравнению с радилокаторами, использующими заданную группу доплеровских каналов, в предложенном техническом решении используется один общий приемный канал для приема сигналов с доплеровскими сдвигами несущей частоты, и, соответственно, уменьшается стоимость этой части радиолокатора.
Техническая эффективность предложенного устройства подтверждена моделированием на ЦВМ сигналов и систем их обработки аналоговым макетированием и испытанием в диапазоне коротких волн и промежуточных частот.
1. При моделировании на ЦВМ исследовалась работа 100 канального синтезатора импульсных сигналов из исходного гармонического сигнала:
- формирование группы гармонических сигналов с кратными частотами,
- введение кратных фазовых сдвигов, имитирующих вводимые пространственные сдвиги излучаемых и принимаемых сигналов,
- суммирование полученных сигналов с кратными частотными и фазовыми сдвигами, имитируя тем самым формирование вращающихся в пространстве лучей при излучении сигналов и синтезируя импульсы информационного кадра во временных каналах при приеме сигналов (обзоре пространства).
2. Аналоговое моделирование устройства синтеза сигналов с имитацией суммирования излучений антенных элементов осуществлено на частоте 29 МГц с использованием синтезатора когерентных сигналов опорных частот сдвига 17. . . 25 МГц (9 частотных каналов, шаг частотных сдвигов 1 МГц), 9-ти преобразователей частоты для переноса спектра сигнала на комбинационные частоты, соответственно, 12. . . 4 МГц. При макетировании были получены (синтезированы) амплитудно-модулированные последовательности импульсов длительностью 0,2 мкс и периодом повторения 1 мкс. Период амплитудной модуляции импульсной последовательности устанавливался соответствующим изменением частоты исходного сигнала в пределах 28,5. . . 29,5 МГц.
При перестройке несущей частоты исходного сигнала в пределах 28,5. . . 29,5 МГц, имитирующей доплеровский сдвиг частоты принимаемого сигнала, происходит гармоническая амплитудная модуляция последовательности синтезированных импульсов и частота этой гармонической амплитудной модуляции соответствовала величине этой перестройки несущей частоты исходного сигнала.
В настоящее время разработан и частично изготовлен экспериментальный 32-канальный макет для синтеза импульсов из непрерывных сигналов, соответствующий блокам сжатия сигналов в передающей и приемной частях предложенного устройства.
Источники информации:
1. Справочник по радиолокации, том 1. "Основы радиолокации" /Под ред. М. Сколника/ Пер. с англ. под ред. К. Н. Трофимова. - М. : Сов. радио, 1976, с. 8.
2. Способ передачи и приема частотных сигналов. А. С. 1007116 СССР. - МКИ G 08 С 19/12 / В. А. Шишков. - 3321480/24, заявлено 21.07.81. - Опубл. 23.03.83, Бюл. 11. (прототип)
3. Справочник по радиорелейной связи. / Под ред. С. В. Бородича. - М. : "Радио и связь", 1981. с. 110-115).
4. Жаботинский М. Е. , Свердлов Ю. Л. Основы теории и техники умножения частоты. - М. : "Сов. радио", 1964.
5. Алексеенко А. Г, Коломбет Е. А. , Стародуб Г. И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М. : "Радио и связь", 1985.
6. Ерофеев Ю. Н. Импульсные устройства. - М. : "Высшая школа", 1989.
7. Фрадкин С. Л. Основы теории и расчета радиолокационных приемников. - М. : "Машиностроение", 1969.
8. Важенина З. П. , Волкова Н. П. , Чадович И. И. Методы и средства временной задержки импульсных сигналов. - М. : "Сов. радио", 1971.
9. Сосновский А. А. , Хаймович И. А. Авиационная радионавигация. Справочник. - М. : "Транспорт", 1980. с. 200-218.
10. Финкельштейн М. И. и др. Подповерхностная радиолокация. - М. : "Радио и связь", 1994.
11. Справочник по радиолокации, том. 2 "Радиолокационные антенные устройства" /Под ред. М. Сколника. / Пер. с англ. под ред. К. Н. Трофимова. - М. : "Сов. радио", 1977. с. 132-302).
12. Гинзбург В. М. Формирование и обработка изображений в реальном времени. Методы быстрого сканирования. - М. : "Радио и связь", 1986. , с. 227.
13. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. /В. Н. Антипов, В. Т. Горяинов, А. Н. Кулин и др. / Под ред. В. Т. Горяинова. - М. : Радио и связь, 1988).
14. Справочник по радиолокации, т. 3 "Радиолокационные устройства и системы" /Под ред. М. Сколника. / Пер. с англ. под ред. К. Н. Трофимова. - М. : "Сов. радио", 1979. с. 400-443).
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| РАДИОЛИНИЯ | 1999 |
|
RU2158058C1 |
| АНТЕННЫЙ КРЕСТ | 1998 |
|
RU2147135C1 |
| ШИРОКОПОЛОСНОСКАНИРУЮЩИЙ ШИРОКОПОЛОСНОСТРОБИРУЮЩИЙ КОМПЛЕКСИРОВАННЫЙ ВЫСОТОУГЛОМЕР | 2003 |
|
RU2233457C1 |
| СПОСОБ ПРИЕМА СИГНАЛОВ | 1997 |
|
RU2147134C1 |
| Имитатор радиолокационных целей | 2021 |
|
RU2787576C1 |
| КОСМИЧЕСКИЙ РАДИОЛОКАТОР С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ, ФОРМИРУЮЩИЙ ИЗОБРАЖЕНИЕ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ | 1999 |
|
RU2158008C1 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ | 2005 |
|
RU2283505C1 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ОТНОСИТЕЛЬНО ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ | 2022 |
|
RU2793338C1 |
| СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ И ИЗМЕРЕНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ В ЗОНЕ СЕЛЕКЦИИ И РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ДАТЧИК ЕГО РЕАЛИЗУЮЩИЙ | 2021 |
|
RU2783402C1 |
| КВАЗИМОНОИМПУЛЬСНЫЙ ВТОРИЧНЫЙ РАДИОЛОКАТОР | 2016 |
|
RU2622399C1 |
Изобретение относится к радиолокации и предназначено для обзорного радиолокационного обнаружения группы объектов и измерения их пространственных параметров с использованием вращающихся лучей и кругового обзора пространства. Достигаемым техническим результатом является повышение быстродействия и надежности устройства. Устройство содержит задающий генератор, блок формирования напряжения несущей частоты, узел формирования напряжений синхронизации, узел формирования сигналов излучения, узел формирования вращающихся лучей, узел кругового обзора пространства и узел индикации и измерения параметров сигналов приема. Узел формирования вращающихся лучей содержит синтезатор группы кратных частот излучения, состоящий из группы умножителей частоты излучения, блок согласования частот излучения, группу преобразователей частот излучения и группу антенн излучения. Узел кругового обзора содержит синтезатор группы кратных частот приема, состоящий из группы умножителей частоты приема, блок согласования частот приема, группу антенн приема, группу преобразователей частоты приема, группу фильтров приема и сумматор приема. Конструкционно антенны выполнены, например, в виде двух групп антенных элементов, равномерно распределенных с соответствующими линейными шагами на заданных отрезках прямой линии. 5 з. п. ф-лы. 7 ил.
| Способ передачи и приема частотных сигналов | 1981 |
|
SU1007116A1 |
| СПОСОБ ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА | 1991 |
|
RU2024033C1 |
| US 4881078, 14.11.1989 | |||
| US 5087913 А, 11.02.1992. | |||
